采用IGBT的無刷直流電動機保護

1. 引言
  無刷直流電動機結構簡單、運行效率、調速能好，在國民經濟的各個領域都得到了的應用。對于三相橋式無刷直流電動機，其開關電路正常工作是至關重要的。由于IGBT具有功率MOSFET速開關特和雙晶體管的低導通電壓特，開關電路通常采用IGBT作為功率開關器件。根據我們的實踐，在IGBT的應用中，驅動、保護和吸收這三個問題是必須考慮的。本文討論了開關電路中IGBT應用的若干問題，詳細介紹了無刷直流電動機保護電路。該電路設計簡單、能可靠，能防止電動機起動時的過流損壞和運行期間柵電路的誤觸發。
 
  2. IGBT的驅動與dv/dt保護
  2.1 IGBT的驅動
  IGBT用于無刷直流電動機的開關電路時，其開關頻率隨電動機轉速的改變而改變，要使它可靠地工作，驅動電路相當重要。由于IGBT的柵電容比MOSFET大得多，因此必須選擇合適的柵正反向偏置電壓和柵串聯電阻。柵正向偏置電壓U_GE般為15V±1 ，足以使IGBT飽和導通。若U_GE過大，IGBT承受短路或過流時間減小，對其不利。雖然柵電壓為零就可使IGBT處于截止狀態，但為了盡快抽取PNP管中的存取電荷，減小關斷時間，提IGBT的耐壓、dv/dt耐量和能力，必須在柵、源之間加個-5～- 15V的反向電壓。
  為了改善脈沖的前后沿陡度和防止振蕩，需要在柵串聯電阻R_G。R_G太大，將使IGBT通斷時間延長，能耗增加; RG太小，會使柵電壓產生振蕩，同時會使IGBT的dv/dt耐量減小。因此，R_G般取十幾至幾十歐姆。
  為減小體積、降低噪聲、改善驅動能、保護，現在多采用集成的IGBT驅動器。
 
  2.2 IGBT的dv/dt保護
  IGBT關斷或開通時，由于主回路電流的突變，回路分布電感將產生很的電壓加在其兩端，使IGBT過工作區而損壞。此外，雖然IGBT的C、E之間承受的dv/dt比較，但由于IGBT在柵之間、柵射之間存在寄生電容C_GC和C_GE，在驅動無刷直流電動機的大功率橋變換器中，過大的dv/dt會通過C_GC和C_GE耦合到柵上產生干擾，使IGBT誤導通而造成橋臂直接短路。般加緩沖電路來解決這個問題，主要有關斷緩沖電路和電壓吸收緩沖電路，圖1為關斷緩沖電路的基本形式。除此以外，還要注意以下兩點:是在斷態時，必須加足夠的負柵壓V_GEOFF;二是要盡可能降低柵電路引線電感。

圖1 IGBT關斷緩沖電路的基本形式

 
  3. 起動時的過流保護電路
  由于無刷直流電動機在起動時轉速很低，轉子磁通切割定子繞組所產生的反電動勢很小，因而可能產生過大的電流。這時雖然不是短路電流，但電流上升率也會相當大。為了電流上升率和短路電流，必須附加過流及保護電路。當發生過流時，及時檢出并立即關斷IGBT，以切斷主電路。
  我們設計的過流保護電路如圖2所示(圖中未畫出IGBT的緩沖電路)。在主回路中，我們串入了個電感L₁和個續流二管D₂，當電機起動時，由于電感的儲能作用，因此了起動電流上升率，提了起動的穩定，使起動電流在幾十微秒內不會過IGBT的浪涌沖擊能力。主回路中通過電動機的電流zui終是經過電阻R_f (0. 1Ω，5W)接地。因此，U_f= R_fI_M，其大小正比于電動機的電流I_M，I_M也即是流過IGBT的電流。U_f通過10kΩ電阻與電壓比較器LM324正相輸入端相連，由于R₁= 10kΩ》R_f，可近似認為沒有電流流過R₁，因而LM324正端輸入為U_f。圖中所示的V_ref為過流保護動作設定電壓。在正常導通工作期間，U_f小于V_ref，LM324輸出低電平。MOS管V₁、V₂、V₄和V₂均截止，IGBT的柵驅動電壓不受影響。發生過流事故時，I_M增大，則U_f也隨之增大，當U_f大于V_ref時，LM324輸出電平，啟動定時器。同時，V₁導通使IGBT的柵電壓降至穩壓管的穩壓值V_Z。在溫度下，當IGBT短路時，及時減小柵驅動電壓V_G，可以使短路電流I_SC減小，從而延長IGBT在不損壞前提下所能承受短路的時間。因此，當電壓降至V_Z后，如果在定時器設定時間到達之前故障消失，LM324輸出又為低電平，V₂截止，Q₂、Q₄、Q₂的柵驅動電壓又恢復正常，電機正常運行。如果在設定時間內故障仍不能排除，則定時器輸出電平，使V₂、V₄和V₂同時導通，由電路圖知，Q₂、Q₄、Q₂的柵驅動電壓近似為0 ，關斷了Q₂、Q₄、Q₂三只IGBT，即切斷了主電路，電動機停車，達到了過流保護的目的。

圖2 無刷直流電動機過流保護電路原理圖

 
  4. 運行時的邏輯保護電路
  電動機在運行期間，由于受到外界環境的干擾，邏輯開關信號可能產生誤觸發，造成橋臂短路。圖2中的Q₂和Q₄、Q₃和Q₂、Q₅和Q₂分別組成三個橋臂，如果同橋臂上的兩個IGBT同時導通，則短路電流流過兩個IGBT，產生所謂的橋臂短路現象，由于橋臂支路中引線電感很小，短路電流的上升率和浪涌沖擊電流均會很大，因而致使IGBT燒毀。為了避免誤觸發，我們設計了種邏輯保護電路，如圖3所示。這種電路結構簡單，使同臂支路的兩個IGBT的驅動信號互鎖，在情況下兩個IGBT不會同時導通。根據它們的邏輯關系，我們能得出保護電路的布爾邏輯方程如下:

Q₁= D₁D₄　　　Q₂= D2D₅
Q₃= D₃D₆　　　Q₄= D₄D₁
Q₅= D5D2　　　Q₆= D₆D₃

其相應的邏輯輸出真值表如表2所示。

表1　邏輯輸出真值表

圖3 邏輯保護電路

 
　根據我們的設計，當邏輯輸入D為低電平時，其相應的輸出Q為低電平，IGBT驅動電路輸出15V的電壓，使IGBT導通；相反，當邏輯輸入D為電平時，其相應的輸出Q為電平時，驅動電路輸出5V的負偏值電壓，使IGBT關斷。從真值表中我們注意到，當電機正常運行時，每時刻有兩個邏輯輸入為低電平。但當邏輯開關信號產生誤觸發時，即當D₂和D₄，或D₂和D₅，或D₃和D₂均為低電平時，其相應的輸出為電平，從而避免了驅動電路的誤觸發，地防止了橋臂短路事故的發生。
 
  5. 結束語
  本文簡要討論了其開關電路中IGBT應用的若干問題，給出了無刷直流電動機的過流保護和邏輯保護的具體應用電路，該電路簡單可靠，效果良好。在實際應用中，要注意根據無刷電機和IGBT的型號來確定過流保護電路電壓的設定值和電阻R_f的參數。